Starke Förderung durch öffentliche Hand

BEISPIELE

«SMARTCAT» – FÜR EIN HOCHEFFIZIENTES BIOGAS-UPGRADE

Erneuerbare Energieträger ‒ und damit auch die Biomasse ‒ spielen eine wichtige Rolle in der Energieversorgung der Schweiz. Die Produktion von Biomethan hat in der Schweiz stark zugenommen. Die Schweizer Gaswirtschaft will – weil der Anteil an inländischem Biomethan erst 1% beträgt – dessen Einspeisung markant erhöhen und bis 2030 einen Anteil von 30% im Wärmemarkt erreichen.

Es ist aber nicht damit getan, einfach mehr Biogasanlagen zu bauen. Biogas besteht lediglich zu etwa 50% aus Methan (CH₄). Die restlichen Komponenten ‒ Kohlendioxid (CO₂) und Feuchtigkeit ‒ müssen vor der Einspeisung in das Gasnetz aufwendig abgetrennt werden. Auch wenn Biomethan als CO₂-neutral deklariert ist, da der Kohlenstoff vornehmlich aus natürlichen Ressourcen stammt, wird das CO₂ dennoch in die Umgebung freigesetzt. Ein Ausbau an Biogasanlagen alleine löst somit das Problem der Ressourcenineffizienz nicht.

Genau diesem residualen und scheinbar wertfreien CO₂ widmet sich das vom BFE und dem Forschungsfonds des Verbandes der Schweizer Gasindustrie (FOGA) gemeinsam geförderte Projekt «Smartcat», in welchem ZHAW und Empa ein neuartiges Katalysatorkonzept entwickelt haben. Es ermöglicht eine substanziell höhere Biogasausbeute ohne zusätzlichen Biomasseeinsatz.

Anstatt das CO₂ aus dem Rohbiogas abzutrennen, wird es durch Zugabe von Wasserstoff (H₂) mittels eines speziellen Nickelkatalysators in CH₄ umgewandelt. Dieses Verfahren ist heute als Power-to-Gas bekannt. Doch im Gegensatz zu den bekannten Methoden erledigt der neuentwickelte Katalysator diese Umwandlung so effizient, dass der Methananteil verdoppelt wird. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass CO₂ und Wasserstoff zu 100% zu CH₄ umgewandelt werden können und dieses CH4 sogar trocken anfällt. Damit besitzt das so produzierte Methan direkt einspeisefähige Qualität, und es muss kein CO₂ abgetrennt werden. Bislang erprobte Verfahren und Katalysatoren sind dazu nicht in der Lage: Sie können den H₂ als Kostenverursacher erst gar nicht vollständig umsetzen und weisen einen deutlich geringeren CH₄-Anteil von max. 80% in trockenem Biogas auf. Das neue Konzept kann auch in ähnlichen Prozessen eingesetzt werden, denen es an Effizienz mangelt und bei denen eine höhere Ressourceneffizienz gewünscht ist.

Doch damit nicht genug: In Biogasen kommen diverse Schwefelkomponenten vor, die dem eingesetzten Nickelkatalysator schaden und ebenfalls erst entfernt werden müssen. Doch auch dafür haben die Forscher ein Konzept entwickelt: Der «Smartcat» ist in der Lage, sich von den Katalysatorgiften selbst zu reinigen. Er kann – ähnlich einem Schwamm, der reversibel Wasser aufsaugt und wieder abgibt – das katalytisch aktive Nickel in die keramische Struktur aufnehmen und auslösen, wobei zeitgleich die Katalysatorgifte entfernt werden. Danach steht ein regenerierter, frischer Katalysator zur Verfügung. Diese Eigenschaft wird derzeit im Langzeiteinsatz untersucht.

Der «Smartcat» wird nun in einer neuen Power-to-Gas-Anlage unter Realbedingungen in einem semi-industriellen Umfeld getestet. Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die Erfolgsgeschichte «Smartcat» und das dabei zugrundeliegende Konzept einen substanziellen Beitrag in der Schweizer Energiewirtschaft leisten kann: Hin zu einer effizienteren, nachhaltigeren Einbindung von erneuerbaren Ressourcen.

Gasmotorenforschung

Die gasmotorische Verbrennungsforschung hat stark an Bedeutung gewonnen. Dies weil der Brennstoff Erdgas im Vergleich zu Benzin oder Diesel rund 25% weniger Kohlendioxid CO₂ produziert und damit die CO₂-Reduktionsziele besser erreicht werden können. Zudem erzeugt die Verbrennung von Erdgas in einem Motor deutlich weniger Stickoxide und fast keine Partikel. Dies ermöglicht beispielsweise der Schifffahrt die Grenzwerte in den Emission Control Areas (ECA) – festgelegt von der UNO-Organisation International Maritime Organization (IMO) – einzuhalten. Umgesetzt wird dies mit Motoren, die ausschliesslich mit Gas betrieben werden, oder solchen, die vom Brennstoff Marine-Diesel auf Gas umgeschaltet werden können, sobald das Schiff eine ECA erreicht. Hinzu kommt, dass vermehrt erneuerbare Gase entwickelt werden und verfügbar sind. Diese werden aus biogenen Basisstoffen oder wie Wasserstoff synthetisch hergestellt. Interessant sind Kombinationen oder Mischungen davon.

Ein Beispiel ist die mit dem Watt d’Or 2018 ausgezeichnete Cosima-Anlage des Paul Scherrer Instituts und von Energie 360°. Wasserstoff aus einer Power-to-Gas-Anlage wird mit Biogas aus einer Kläranlage direkt zu Methan synthetisiert und steigert die Methanausbeute um 60%. Das Beimischen von Wasserstoff zu komprimiertem Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG) für den Betrieb von Fahrzeugen wurde in einem vom BFE mitfinanzierten Projekte von der Empa untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine Verbrauchsreduktion um 2%, einen vollständigen Abbau der Kohlenwasserstoffe im Katalysator sowie ein besseres Fahrverhalten.

Das Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme (LAV) der ETH in Zürich hat sich insbesondere in den letzten zehn Jahren eine hohe Kompetenz in der Erforschung von Brennverfahren im Gasmotoren angeeignet. Dies wurde möglich durch eine Reihe von Forschungsprojekten, die sowohl von Industriepartner als auch von der öffentlichen Hand finanziert wurden. Dazu gehören die Untersuchung verschiedener Zündverfahren von Gasgemischen mit Zündkerze, Vorkammerzündung oder Piloteinspritzung in mehreren Projekten des BFE und der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (D);
die Entwicklung eines Vorkammerzündsystems im Rahmen eines von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) mitfinanzierten Projekts des Schweizer Motorenherstellers Liebherr Machines Bulle SA oder des EU-Horizon 2020-Projekts
Gas-On in Zusammenarbeit mit führenden Autoherstellern, Zulieferer und akademischen Partnern. Das LAV leitet zudem seit 2012 das Themengebiet «Gasmotoren» des Technology Collaboration Programme on Combustion im Energie-Technologie-Netzwerk der Internationalen Energie Agentur (IEA).

Ein aktuelles vom BFE finanziell unterstütztes Projekt untersucht experimentel und numerisch die Zündung und Entflammung sowie die Wand- und Flamm-interaktionen im System Vorkammer – Brennraum eines Gasmotors. Ein neuartiger und erstmals in dieser Form entwickelter Versuchsträger erlaubt Einblicke in den Zündvorgang in einer Vorkammer, die Ausströmung der Flamme durch die düsenförmige Öffnung in den Brennraum sowie die Entflammung im Brennraum. Von besonderem Interesse ist auch, wie sich die Flamme innerhalb der Düse verhält, durch die sie mit hoher Geschwindigkeit austritt. 

Die Versuchsanlage wurde vom LAV entwickelt und mit Unterstützung des Instituts für Thermo- und Fluid-Engineering der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) realisiert. Sie ist hoch automatisiert und erlaubt verschiedene Drücke und Methan-Lüftverhältnisse in der Vorkammer und dem Brennraum einzustellen sowie die Beheizung der Komponenten. In der Zukunft können damit auch unterschiedliche Gasgemische untersucht werden, insbesondere solche mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff als Beimischung zu Erdgas oder Biogas.

Mikro-Blockheizkraftwerk

Blockheizkraftwerke mit niedriger Leistung (Mikro-BHKW) sind darauf ausgelegt, Ein- und Mehrfamilienhäuser dezentral mit Strom und Wärme zu versorgen. Zwei Institute der ETH in Zürich entwickeln zurzeit mit dem Heizungsunternehmen Hoval und der Schmierölproduzentin Bucher AG ein solches Mikro-BHKW. Dieses verfügt über einen für diese Leistungsklasse bisher ungekannt hohen elektrischen Wirkungsgrad und erzielt sehr tiefe Schadstoffemissionen. Das neuartige Gerät liegt bisher als Laboranlage und in mehreren Einheiten als Funktionsmuster vor. Es nutzt Erdgas, ebnet bei Betrieb mit Biogas aber auch den Pfad in eine erneuerbare Energieversorgung. Das Vorhaben wird vom BFE als Forschungs- und Entwicklungsprojekt sowie als Pilot- und Demonstrationsprojekt mitfinanziert.

Herzstück des Mikro-BHKW ist ein kleiner Einzylinder-Viertaktmotor, der von Swissauto Wenko AG entwickelt wurde und von Polaris Industries in grosser Stückzahl hergestellt wird. In seiner Grundform kommt der Motor in Quadbikes oder Motorschlitten zum Einsatz. Für den Einsatz im BHKW wurde der Motor in einem Forschungsprojekt des LAV der ETHZ auf Gasbetrieb umgerüstet und zur Erhöhung des mechanischen Wirkungsgrads und nahezu Null Schadstoffemissionen weiterentwickelt. Das Institute for Dynamic System Controll (IDSC) der ETHZ entwickelt für das Mikro-BHKW das Regelungssystem und Hoval die Gesamtanlage inklusive Wärmetauscher für die maximale Nutzung der Abwärme.

Um den Motor mit maximalem Wirkungsgrad und mit geringem Wartungsaufwand zu betreiben, ist auch ein optimiertes Schmieröl erforderlich. Damit soll die Reibung reduziert, der Spalt zwischen Kolbenring und Zylinderwand abgedichtet und der Verschleiss minimiert werden. Letzteres ist wichtig, damit der Motor über deutlich mehr Betriebsstunden als beim üblichen Einsatz in Fahrzeugen sicher betrieben werden kann. Die Entwicklungsabteilung von Bucher AG testet im Rahmen des Projekts verschiedene Mischungen aus Basisölen und Additiven, um geeignete Mixturen zu identifizieren.

Das Mikro-BHKW soll mit einer elektrischen Leistung von 7 kW vor allem dann in Betrieb sein, wenn vom Eigentümer oder im Netz viel Strom nachgefragt wird und auch ein höherer Preis zu bezahlen ist. Dementsprechend soll die Anlage nicht für die Grundlastversorgung eingesetzt werden und möglichst viele Betriebsstunden pro Jahr erreichen, sondern mit gezieltem Betrieb entsprechend der Stromnachfrage nur rund 2000 Stunden pro Jahr laufen. Ob sich dieses Konzept wirtschaftliche umsetzen lässt, wird auch von den regulatorischen Rahmenbedingungen abhängen.

Die bisher gemessenen Werte sind vielversprechend. Das seriennahe Funktionsmuster erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von 32,7% und der thermische Wirkungsgrad liegt bei einer Rücklauftemperatur aus dem Heizungskreislauf von 30°C bei 76% (bezogen auf den unteren Heizwert des Erdgases). Minimal sind dagegen die Schadstoffemissionen, sie betragen für Stickoxid (NOx) weniger als 5,0 mg/Nm3 Abgas. Die Luftreinhalteverordnung erlaubt bei dieser Anlagegrösse 250 mg/Nm3.

Eine Herausforderung für die Forscher ist, die geringen NOx-Emissionen auch beim Kaltstart und häufigem Ein- und Ausschalten der Anlage einzuhalten. Weiterführende Untersuchungen werden zudem für den Betrieb der Anlage mit Biogas durchgeführt werden.

Brennstoffzellen – Röntgentomographie und Modellierung 

Brennstoffzellen können chemisch gespeicherte Energie in Form von Wasserstoff sehr effizient in Elektrizität umwandeln. In Brennstoffzellenfahrzeugen kommen dabei PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane, dt. Protonenaustauschmembran) zum Einsatz, welche die am weitesten verbreiteten Brennstoffzellen sind. Das effiziente Entfernen von Produktwasser, das durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht, und das Feuchtigkeitsmanagement der Membran sind äusserst wichtige Elemente für den Betrieb von PEM-Brennstoffzellen: Einerseits muss die Polymermembran, welche Anode und Kathode trennt, genügend befeuchtet sein, damit ihre Ionenleitfähigkeit entsprechend hoch ist, um den Austausch von Wasserstoffionen (Protonen) zu ermöglichen. Andererseits kann flüssiges Wasser die Poren in der Gasdiffusionsschicht (GDL) verstopfen und so den Zugang der Reaktionsgase Wasserstoff und Luft/Sauerstoff an die Membran blockieren, speziell bei hohen Lasten.

Kommerzielle Gasdiffusionsschichten sind poröse Strukturen aus Kohlenstofffasern mit einem typischen Durchmesser von 6 bis 8 Mikrometern und einer Gesamtdicke im Bereich von 100 bis 300 Mikrometern. Die Porosität variiert dabei stark, je nach Komprimierungsgrad und Anteil an Bindermaterial, welches die Fasern zusammenhält. In einer vom BFE mitgeförderten Forschungsarbeit des Institute of Computational Physics der ZHAW und dem PSI wurden Methoden und Modelle entwickelt, um quantitativ den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur der Schichten und den effektiven Transporteigenschaften in verschiedenen GDL zu beschreiben. Dreidimensionale Mikrostrukturen von GDL lassen sich über Röntgentomographie ermitteln, indem verschiedene Röntgenbilder unter unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden und die dreidimensionale Struktur errechnet wird. In dem gemeinsamen Projekt von ZHAW und PSI wurden kommerzielle GDL zunächst in trockenem Zustand bei verschieden starker Kompression untersucht und die Porosität ermittelt. Die Wasserverteilung in feuchten GDL wurde danach mit In-situ-Experimenten ermittelt, in denen die GDL unterschiedlich starken Wassereinpressdrücken ausgesetzt wurden mit anschliessenden Röntgentomographieaufnahmen. Diese experimentellen Ergebnisse wurden dann mit Resultaten aus Simulationsrechnungen ausgehend von derselben dreidimensionalen Mikrostruktur in trockenem Zustand verglichen. So kann etwa der Durchbruchdruck, bei welchem die gesamte GDL geflutet wird, experimentell ermittelt und mit dem theoretischen Modell verglichen werden. Die Arbeiten konnten aufzeigen, dass die Entwicklung der relativen Permeabilität, d. h. der Anteil der Permeabilität der GDL, der vom Sättigungsgrad mit Wasser und der räumlichen Verteilung des in die GDL eingedrungenen Wassers abhängt, mit dem Kapillardruck und dem Sättigungsgrad signifikant von gängigen in der Fachwelt benutzten semi-empirischen Modellen abweicht.

Diese Arbeiten und Erkenntnisse sind für ein tieferes Verständnis in PEM-Brennstoffzellen, insbesondere auch von Degradationsphänomenen, bedeutsam. Darüber hinaus fliessen die methodischen Ansätze auch in andere Energietechnologiebereiche ein, wo das Verständnis von porösen Mikrostrukturen wichtig ist, so etwa in die Batterieforschung (siehe etwa EU-Projekt FlowCamp4).

Ein Wissenstransfer im Bereich modellierungsbasierter Materialentwicklung und Analyseservice für PEM-Brennstoffzellen ist im Gange, und erste Kontakte mit der Industrie sind geknüpft.

Bibliographie

[1] BFE (2017): Studie zu System Adequacy. www.bfe.admin.ch/php/modules/publikationen/stream.php?extlang=de&name=de_442297091.pdf

[2] Kaiser, T.; Hotz-Hart, B.; Wokaun, A. (2012): Aktionsplan Koordinierte Energieforschung Schweiz. Bezug bei: Staatssekretariat für Bildung und Forschung und Innovation SBFI, www.sbfi.admin.ch

[3] Lüdi, R. (2017): Angebote der Innovationsförderung im Energiebereich ‒ für Schweizer Firmen und Forschungsinstitute. www.bfe.admin.ch/wtt > Angebote der Innovationsförderung

[4] Bundesamt für Energie: Energieforschungskonzept 2017‒2020. www.energieforschung.ch

[5] Energiegesetz (EnG) vom 30. September 2016. Amtliche Sammlung AS 2017. www.admin.ch > Bundesrecht

[6] Holzer, L. et al. (2017): Electrochimica Acta 241: 414–432